DE102015214362A1 - Microelectromechanical device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit: einem an einer Substratoberseite (101a) eines Substrats (101) und/oder einem an einer Substratrückseite (101b) des Substrats (101) angeordneten Magneten (102, 202); einem im Substrat (101) integrierten Mikrowellensender (503); einem im Substrat (101) integrierten Mikrowellenempfänger (506); und einem von dem Substrat beabstandeten Absorberniveau (203) mit einer dem Substrat (101) zugewandten paramagnetischen Schicht (201) und einer vom Substrat (101) abgewandten Infrarot-Absorberschicht (107).The invention relates to a microelectromechanical device comprising: a magnet (102, 202) arranged on a substrate top side (101a) of a substrate (101) and / or on a substrate rear side (101b) of the substrate (101); a microwave transmitter (503) integrated in the substrate (101); a microwave receiver (506) integrated in the substrate (101); and an absorber level (203) spaced from the substrate with a paramagnetic layer (201) facing the substrate (101) and an infrared absorber layer (107) facing away from the substrate (101).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Vorrichtung, ein Herstellungsverfahren für eine mikroelektromechanische Vorrichtung, eine Verwendung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung als Bolometer sowie eine Messvorrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung. The present invention relates to a microelectromechanical device, a manufacturing method for a microelectromechanical device, a use of a microelectromechanical device as a bolometer, and a measuring device for measuring a temperature distribution.
Stand der TechnikState of the art
Mikroelektromechanische Bolometer können elektromagnetische Strahlungsintensitäten in einem bestimmten Wellenlängenbereich (etwa 3 bis 15 Mikrometer) messen. Das Bolometer umfasst dazu einen Absorber, welcher die elektromagnetische Strahlung in Wärme umwandelt. Die Temperaturerhöhung des Absorbers wird gemessen und auf die Intensität der elektromagnetischen Strahlung und die Objekttemperatur rückgeschlossen. Microelectromechanical bolometers can measure electromagnetic radiation intensities in a specific wavelength range (about 3 to 15 microns). The bolometer comprises an absorber, which converts the electromagnetic radiation into heat. The temperature increase of the absorber is measured and deduced on the intensity of the electromagnetic radiation and the object temperature.
Beispielsweise ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit einem an einer Substratoberseite eines Substrats und/oder einem an einer Substratrückseite des Substrats angeordneten Magneten, einem im Substrat integrierten Mikrowellensender, einem im Substrat integrierten Mikrowellenempfänger und einem von dem Substrat beabstandeten Absorberniveau. Das Absorberniveau umfasst eine dem Substrat zugewandte paramagnetische Schicht und eine vom Substrat abgewandte Infrarot-Absorberschicht. Der Ausdruck „Niveau“ bezeichnet hierbei eine Plattform, welche oberhalb eines Substrats und von diesem beabstandet angeordnet ist.According to a first aspect, the present invention provides a microelectromechanical device having a magnet arranged on a substrate top side and / or a substrate back side of the substrate, a microwave transmitter integrated in the substrate, a microwave receiver integrated in the substrate and an absorber level spaced from the substrate. The absorber level comprises a paramagnetic layer facing the substrate and an infrared absorber layer facing away from the substrate. The term "level" here refers to a platform which is arranged above a substrate and spaced therefrom.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem zweiten Aspekt ein Herstellungsverfahren für eine mikroelektromechanische Vorrichtung. Dazu wird ein Substrat mit einem in dem Substrat integrierten Mikrowellensender und einem in dem Substrat integrierten Mikrowellenempfänger bereitgestellt. Anschließend wird ein Elektromagnet an einer Substratoberseite des Substrats ausgebildet und/oder ein Magnet an einer Substratrückseite des Substrats ausgebildet. Eine Opferschicht wird auf die Substratoberseite aufgebracht. Eine paramagnetische Schicht wird auf der Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Eine Absorberschicht wird auf der paramagnetischen Schicht aufgebracht und strukturiert, wobei mindestens ein Haltearm freigestellt wird. Anschließend wird die Opferschicht entfernt.The present invention according to a second aspect provides a manufacturing method for a microelectromechanical device. For this purpose, a substrate is provided with a microwave transmitter integrated in the substrate and a microwave receiver integrated in the substrate. Subsequently, an electromagnet is formed on a substrate top side of the substrate and / or a magnet is formed on a substrate back side of the substrate. A sacrificial layer is applied to the substrate top. A paramagnetic layer is deposited on the sacrificial layer and patterned. An absorber layer is applied to the paramagnetic layer and patterned leaving at least one support arm exposed. Subsequently, the sacrificial layer is removed.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem dritten Aspekt eine Verwendung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung als Bolometer. Dazu wird Mikrowellenstrahlung durch den Mikrowellensender ausgesandt und die von dem Absorberniveau reflektierte Mikrowellenstrahlung durch den Mikrowellenempfänger empfangen. Ein Absorptionsspektrum des Absorberniveaus wird anhand der empfangenen Mikrowellenstrahlung bestimmt und eine Temperatur des Absorberniveaus anhand einer Absorptionsbreite des berechneten Absorptionsspektrums bestimmt.The present invention according to a third aspect provides a use of a microelectromechanical device as a bolometer. For this purpose, microwave radiation is emitted by the microwave transmitter and the microwave radiation reflected by the absorber level is received by the microwave receiver. An absorption spectrum of the absorber level is determined from the received microwave radiation and a temperature of the absorber level is determined from an absorption width of the calculated absorption spectrum.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem vierten Aspekt eine Messvorrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung mit einer Vielzahl von in einem Array auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Bolometern. Hierbei weisen die mikroelektromechanischen Bolometer in jeder Reihe des Arrays einen gemeinsamen im Substrat integrierten Mikrowellensender auf. Desweiteren weisen die Bolometer in jeder Spalte des Arrays einen gemeinsamen im Substrat integrierten Mikrowellenempfänger auf.The present invention according to a fourth aspect provides a measuring device for measuring a temperature distribution having a plurality of bolometers arranged in an array on a common substrate. In this case, the microelectromechanical bolometers in each row of the array have a common microwave transmitter integrated in the substrate. Furthermore, the bolometers in each column of the array have a common microwave receiver integrated in the substrate.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Im Gegensatz zu einem Bolometer, bei welchem die Erwärmung des Absorbers mit Hilfe eines Widerstands gemessen wird, ist bei der erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Vorrichtung eine elektrische Kontaktierung des Absorberniveaus nicht nötig. Dadurch sind nur wenige Prozessschritte notwendig, da die Kontaktierung des Absorberniveaus sowie die Ausbildung des Widerstandes entfallen. Gleicher Vorteil gilt auch gegenüber anderen thermoelektrischen Wandlerelementen wie z.B. Dioden. Durch Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entfällt zudem ein Stromfluss mit entsprechendem Verlustleistungsumsatz innerhalb des thermoelektrischen Wandlerelementes, der zu einer Aufheizung des Bolometerpixels führt, welche zum Beispiel über zusätzliche Referenzpixel mit entsprechendem Platzbedarf kompensiert werden muss.In contrast to a bolometer, in which the heating of the absorber is measured by means of a resistor, in the microelectromechanical device according to the invention an electrical contacting of the absorber level is not necessary. As a result, only a few process steps are necessary because the contacting of the absorber level and the formation of the resistance omitted. The same advantage also applies to other thermoelectric conversion elements, e.g. Diodes. By using a device according to the invention also eliminates a current flow with a corresponding loss of power conversion within the thermoelectric conversion element, which leads to a heating of the bolometer, which must be compensated, for example, additional reference pixels with appropriate space requirements.
Da keine elektrische Verbindung zwischen Absorberniveau und Substrat nötig ist, wird die thermische Kopplung von Absorberniveau und Substrat minimiert. Dadurch kommt es zu einer stärkeren Erwärmung des Absorbers und einem größeren Messsignal.Since no electrical connection between absorber level and substrate is necessary, the thermal coupling of absorber level and substrate is minimized. This leads to a stronger heating of the absorber and a larger measurement signal.
Aufgrund der geringen thermischen Masse des Absorberniveaus ist eine sehr schnelle Ermittlung der Temperatur des Absorberniveaus möglich. Das Bestimmen der Temperatur des Absorberniveaus kann dadurch schnell und mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden. Dadurch sind beim Einsatz in bildgebenden Systemen hohe Frameraten (Bildwiederholraten) möglich.Due to the low thermal mass of the absorber level, a very rapid determination of the temperature of the absorber level is possible. The determination of the temperature of the absorber level can thereby be fast and with a high Accuracy be performed. As a result, high frame rates (frame rates) are possible when used in imaging systems.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei die paramagnetische Schicht Manganate, insbesondere La0,62Bi0,05Ca0,33MnO3, und/oder La0,67Sr0,33MnO3 umfasst. Für die genannten Manganate ist der Zusammenhang zwischen Breite des Absorptionsspektrums und Temperatur des Absorberniveaus gut untersucht. Daher kann durch Bestimmen des Absorptionsspektrums die Temperatur des Absorberniveaus und dadurch die Intensität der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit großer Präzision bestimmt werden. Wie unten erläutert, wächst die Absorptionsbreite des Absorptionsspektrums linear mit der Temperatur an. Dadurch kann die Temperatur genauer und mit weniger Elektronikaufwand und Rechenleistung gemessen werden als dies beispielsweise bei einem nicht-linearen Zusammenhang der Fall wäre.In another aspect, the present invention provides a microelectromechanical device wherein the paramagnetic layer comprises manganates, particularly La 0.62 Bi 0.05 Ca 0.33 MnO 3 , and / or La 0.67 Sr 0.33 MnO 3 . For the mentioned manganates, the relationship between the width of the absorption spectrum and the temperature of the absorber level is well studied. Therefore, by determining the absorption spectrum, the temperature of the absorber level and thereby the intensity of the incident electromagnetic radiation can be determined with great precision. As explained below, the absorption width of the absorption spectrum increases linearly with temperature. As a result, the temperature can be measured more accurately and with less electronics and computing power than would be the case, for example, in a non-linear relationship.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei die Infrarot-Absorberschicht Siliziumoxid umfasst.In another aspect, the present invention provides a microelectromechanical device wherein the infrared absorber layer comprises silicon oxide.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei in die Infrarot-Absorberschicht Metallelemente als plasmonische Absorber, insbesondere Metallspiegel, metallische Scheiben, metallische Kreuze, metallische Gitter und/oder Antennenstrukturen aus Metall integriert sind. Durch Verwendung von in der Infrarotabsorberschicht integrierten Metallelementen kann die Infrarotabsorptionsfähigkeit der Infrarot-Absorberschicht erhöht werden. Dadurch wird eine effiziente und gleichmäßige Erwärmung des Absorberniveaus sichergestellt.According to a further aspect, the present invention provides a microelectromechanical device, wherein metal elements are integrated into the infrared absorber layer as plasmonic absorbers, in particular metal mirrors, metallic disks, metallic crosses, metallic lattices and / or metal antenna structures. By using metal elements integrated in the infrared absorbing layer, the infrared absorbing ability of the infrared absorbing layer can be increased. This ensures efficient and uniform heating of the absorber level.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei eine Schichtdicke der Absorberschicht kleiner oder gleich 1,6 Mikrometer ist.In another aspect, the present invention provides a microelectromechanical device wherein a layer thickness of the absorber layer is less than or equal to 1.6 microns.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei als Mikrowellensender Gunndioden und/oder Wellenleiter verwendet werden.In another aspect, the present invention provides a microelectromechanical device using gunnodes and / or waveguides as microwave transmitters.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine mikroelektromechanische Vorrichtung, wobei an der Substratoberseite ein Elektromagnet und an der Substratrückseite ein Permanentmagnet angeordnet ist. Durch Verwendung eines Elektromagneten kann die Stärke des angelegten Magnetfelds gesteuert werden. Durch Erhöhen des angelegten Magnetfelds wird die Messgenauigkeit des verwendeten Bolometers erhöht.According to a further aspect, the present invention provides a microelectromechanical device, wherein an electromagnet is arranged on the substrate upper side and a permanent magnet on the substrate back side. By using an electromagnet, the strength of the applied magnetic field can be controlled. Increasing the applied magnetic field increases the measurement accuracy of the bolometer used.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. So kann beispielsweise nur eine Permanentmagnetschicht
In einem Absorberniveauabstand d5 befindet sich ein Absorberniveau
Vorzugsweise sind in der Infrarot-Absorberschicht
Das Absorberniveau
Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So können die Halteärmchen
In dem Substrat
Des Weiteren ist in dem Substrat
Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. So können auch Gunndioden anstatt von Hohlleitern als Mikrowellensender und/oder Empfänger verwendet werden.The invention is not limited thereto. Thus Gunndioden instead of waveguides can be used as a microwave transmitter and / or receiver.
Wie in
In einem zweiten Schritt S2 wird eine Permanentmagnetschicht
Wie in
In einem vierten Schritt S4 wird eine paramagnetische Schicht
In einem fünften Schritt S5 wird eine Absorberschicht
Auf der ersten Oxidschicht
Diese Infrarot-Absorberschicht
Schließlich wird in einem sechsten Schritt S6 durch Trenchätzen der Opferschicht
Die Erfindung ist nicht auf die genannte Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann das Ausbilden der Permanentmagnetschicht
In einem zweiten Schritt S20 wird die Mikrowellenstrahlung, welche von dem Absorberniveau reflektiert wurde, von dem Mikrowellenempfänger
Die in
Anhand des Absorptionsspektrums kann die Absorptionsbreite bestimmt werden. Anhand des aus
Die Mikrowellensender
Analog können die Temperaturen der Bolometer der zweiten und dritten Reihe des Arrays gemessen werden, wobei der zweite Mikrowellensender
Anhand der gemessenen Temperaturen der einzelnen Bolometer kann dadurch eine Temperaturverteilung gemessen werden.On the basis of the measured temperatures of the individual bolometers a temperature distribution can be measured.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Legal Events
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |